第３４卷第１期 ２０ｌ４年２月 辽宁工业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 、，０Ｉ．３４．Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１４ 本刊核心层次论文 新型铸钢醇基涂料的研究 武晓峰１，孙铭远 ，杨忠兴 ，张宝军２刘 聪２ （１．辽宁工业大学材料科学与工程学院，辽宁锦州１２１００１；２．天津市铸诚铸造辅料有限公司，天津３００１６３） 摘要：以红柱石为耐火骨料，并合理选择烧结助剂等其它组分，研制了新型铸钢醇基涂料。试验表明，新 型铸钢醇基涂料涂层中的红柱石粉在铸钢浇注温度（１ ５５０℃）作用下，生成大量的高熔点莫来石相，使得该涂 料层具有了良好的抗粘砂效果，浇注的铸件表面光洁，不粘砂，易清理，劳动强度低，且悬浮性、涂刷性、流平性 及抗流淌性等工艺性能优良，同时与锆英粉涂料相比成本低廉，适用于各类型碳钢及中小型合金钢铸件。 关键词：红柱石；醇基涂料；铸钢 中图分类号：ＴＧ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４．３２６１（２０１４）０１．００５６４）４ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ａｌｃｏｈｏｌ・—Ｂａｓｅ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｓｔｅｅｌ Ｃａｓｔｉｎｇ ｗｕ Ｘｉａｏ．ｆｅｎｇ ，ＳＵＮ Ｍｉｎｇ．ｙｕａｎ ，ＹＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ．ｘｉｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｂａｏ－ｊｕｎ２，ＬＩＵ．Ｃｏｎｇ （１．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｚｈｕｃｈｅｎｇ Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｔｉａｎｊｉｎ，３０１８００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ａｌｃｏｈｏｌ—ｂａｓｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｔｅｅｌ ｃａｓｔｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｎｄａｌｕｓｉｔｅ ａｓ ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ａｇｇｒｅｇａｔｅ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｇｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ ｔｈａｔ ａｎｄａｌｕｓｉｔｅ ｐｏｗｄｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ａｌｃｏｈｏｌ－ｂａｓｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒｍｓ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｈｉ【ｇｈ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｍｕｌｌｉｔｅ ｐｈａｓｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｒｅ，ｉｕ．ｅ ｌ ５５０℃，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ａｎｔｉ－ｂｕｒｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｄｅｔａｃｈ，ｆａｌｌ ｏｆｆ，ｅａｓｙ ｔｏ ｃｌｅａｎ ｕｐ，ａｆｔｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｉＳ ｂｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｃｌｅａｎ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ａｄｈｅｒｉｎｇ ｓａｎｄ，ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｂｒｕｓｈｉｎｇ，ｆｌｏｗｉｎｇ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｒｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｚｉｒｃｏｎ ｐｏｗｄｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｒｉｃｅ ｏｆ ｈｉｔｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｌｏｗ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｗｉｄｅ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｄ ｕｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ａｌｌｏｙ ｓｔｅｅｌ ｃａｓｔｉｎｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｄａｌｓｉｕｔｅ；ａｌｃｏｈｏｌ—ｂａｓｅ ｃｏａｔｉｎｇ；ｃａｓｔ ｓｔｅｅｌ 醇基涂料包括靠有机溶剂挥发使涂层固化的 白干涂料和靠点燃有机溶剂使涂层固化的点燃涂 料。由于这些涂料均不需烘干，节约能源，缩短生 而其他耐火材料虽然价格低，但只能应用于不太 厚的小型铸钢件，厚壁大型铸钢件还不得不采用 锆英粉涂料【Ｉ Ｊ。 红柱石是一种无水铝硅酸盐矿物，具有高温体 产周期，改善劳动条件，故在生产铸钢、铸铁及有 色合金等铸件的水玻璃和树脂自硬砂中得到广泛 积稳定性、耐熔性和易转变为莫来石的性能，且原 料本身不需要煅烧，因此，红柱石材料在对抗热震 性与高温强度要求高的领域有很好的应用效果［２ 。 目前，红柱石的研究和利用主要是集中在冶金工 业用耐火材料、冶金辅料和宝石等方面，未见有在 应用，已成为获得优质铸件的必要的工序。目前在 铸钢件的生产中，砂型所用醇基涂料的耐火材料 主要有锆英粉、刚玉粉、高铝矾土粉和石英粉等。 其中以锆英粉涂料的性能为最好，生产的铸件不 粘砂，表面光洁。但是锆英粉来源短缺，价格昂贵。 铸造涂料方面的报道。本文以红柱石粉作为耐火骨 收稿日期：２０１３—０８—２７ 作者简介：武晓峰（１９５９－），男，山西太原人，教授，博士 第１期 武晓峰等：新型铸钢醇基涂料的研究 ５７ 料，配制成具有一定粉料配比的铸钢用醇基涂料， 甲醉价格低，易挥发，但单独使用时有较强的毒性， 对涂料的组成和性能进行了系统的测试及分析，并 在生产中进行了验证。 刺激眼神经；乙醇无毒、无臭、易挥发、可燃烧， １醇基涂料组分 １．１耐火骨料与助剂 涂料中的耐火骨料是涂料的主体部分，其耐火 度、导热性及热化学稳定性等物理、化学性质是决 定涂料使用效果的主要因素，涂料靠它来防止金属 是最经济、最安全的载液。但工业酒精纯度在９５％ 左右，含水约５％，影响涂料的点燃性，涂料点火燃 烧困难，不易充分燃烧。选用工业酒精作为涂料主 要载体，再加入少量甲醇及助燃剂，消除水分对涂 料点燃性的影响，同时助燃剂可使涂料粘度提高， 减少溶剂渗入砂型的深度， 有利于防止铸件表面 气孔的产生。 液对铸型的渗透、侵蚀以及起化学反应。因此，耐 １．３粘结剂 火骨料对防止铸件粘砂起着决定性作用。 红柱石粉料是将天然红柱石矿石破粹、筛分而 成。呈灰白色，具有金属光泽和折光现象。红柱石 粉料的主要化学成分与物理性能如表ｌ所示［３】ｏ 表１红柱石粉的主要化学成分及物理性能 表中数据表明，红柱石粉耐火度高，达１ ７８０ ℃。其主要矿物成分为Ａｌ２Ｏ３和Ｓｉ２Ｏ，所含杂质为 Ｆｅ２０３、ＭｇＯ和ＣａＯ等，含量都很低，均小于１％。 红柱石在常压下加热至１ ２００℃以后，开始转化成 与原品体平行的针状、柱状莫来石，其反应方程为： ３ｒ Ａ１２０３’ＳｉＯ２）＿÷３ Ａ１２０３。２ ＳｉＯ２＋ＳｉＯ２ 这是一种不可逆的晶型转化。莫来石晶体是铝 硅酸盐在高温作用下唯一稳定的形式，具有比红柱 石更高的耐火性能，耐火度可达１ ８００℃以上，且 耐骤冷骤热，机械强度大，抗热冲击力强，软化点 高并具有极高的化学稳定性。研究表明［４】，红柱石 类矿物转变为莫来石，实际是由颗粒表面开始逐步 深入内部，莫来石结晶成针状、柱状，长约２０ ， 莫来石结晶方向平行于原红柱石晶面，体积膨胀为 １％～５％，线膨胀率为１％～１．５％，由于在转变期间 产生的线性膨胀小，因此在发生莫来石转化时，采 用红柱石粉作为耐火骨料制作的涂料涂层不会产 生大的体积膨胀而形成裂纹。这样形成的莫来石或 部分莫来石涂层耐火度高、致密且无裂纹，有利于 获得优质的铸件表面。 在涂料加入烧结助剂。其目的是促进高熔点红 柱石耐火骨料的烧结，形成易剥离涂层，从而有利 于获得光洁的铸件表面。 １．２载体 目前应用在醇基涂料中的载体有甲醇、乙醇及 异丙醇等。异丙醇渗入砂型的量少，涂刷方便，配 制的涂料质量好，且毒性小，但挥发慢、价格较高； 粘结剂分为常温和高温粘结剂两大类。常温粘 结剂的作用是将耐火填料颗粒粘结在一起使涂层 具有一定的强度，并使耐火填料颗粒粘附在铸型芯 表面防止涂层从型腔表面脱落；高温粘结剂的作用 是保证涂层能够抵御高温金属液体的冲刷而不脱 落、开裂。 选用酚醛树脂和松香作常温粘结剂。酚醛树脂 溶于醇类溶剂，不溶于水，常温粘结力强，可使涂 层获得高的常温表面强度，但发气量较大，加入量 大涂层点燃时易开裂，且易造成铸件产生气孔缺 陷；松香价格低，而且在涂层点燃后不易开裂，浇 出的铸件表面光滑，但是其热稳定性差，粘结强度 低。采用酚醛树脂与少量松香配合使用，不仅可以 减少粘结剂的加入量，提高涂料的粘结强度，而且 可以提高载体粘度，减少乙醇向铸型内部渗透，防 止涂层开裂，避免气孔缺陷的产生。通过试验，酚 醛树脂和松香的配比定为３：１～５：１。选用磷酸盐 作高温粘结剂。在加热条件下，磷酸盐会产生少量 粘稠液体，聚合成网状结构，包裹耐火骨料颗粒， 促使涂层烧结，增强涂层抵抗金属液冲刷和开裂的 能力。另外，磷酸盐还能使涂料层促凝自硬，提高 涂料的抗流淌性能。 １．４悬浮剂 红柱石粉的密度虽然比锆英粉的低，但仍比石 墨、石英等粉料的高，因此必须加入悬浮性能较好 的悬浮剂，以防止红柱石骨料在涂料中分层沉淀， 影响涂层质量。选用锂基膨润土和硅酸镁铝作为复 合悬浮剂。锂基膨润土是以天然钙基膨润土为原 料，经过人工锂化改性制各出的一种矿物材料。它 在水的引发下能够与醇类溶剂形成胶体状物质，获 得好的膨胀稠化能力，但用锂基膨润土配制的涂料 在放置一定时间或中长途运输脱水后，涂料变为硬 层，形成板结，影响使用。硅酸镁铝是一种经人工 提纯的新型矿物材料，加入涂料中具有一定的悬浮 能力，且能防止涂料板结现象的产生。 ５８ 辽宁工业大学学报（自然科学版） 第３４卷 １．５增稠剂 表３。工艺性能试验按ＪＢ／Ｔ５１０７—９１《砂型铸造用涂 与水基涂料相比，醇基涂料悬浮性、涂挂性及 料试验方法》进行。 ’触变性等性能仍显不足。聚乙烯醇缩丁醛（ＰＶＢ）具 表３红柱石粉醇基涂料的工艺性能 有较好的增稠效果，对溶剂的抗载体流失性具有较 好的作用，有效地防止了溶剂的渗透力，提高涂料 密度，（ｇ・ｃｍ＂ ） 粘度（６ ，ｓ】 的涂挂能力，使涂料具有较好的工艺性能。ＰⅦ加 ２ ｈ 入量控制在０．５％以下。加入量过多，ＰＶＢ易形成连 续膜，阻碍点燃时气体的排出，导致涂层表面起泡， 悬浮性（％） ｈｈ ３０ｄ 影响型芯的表面质量和抗粘砂性能。 发气量／（ｍＬ・ｇ。。） ２涂料的配比及制备工艺 屈服值 剪切稀释Ｉ：Ｉ￣Ｍ 触变率Ⅳ ２．１涂料的配比 通过正交试验获得红柱石粉涂料的配比，见表 从表３可以看出，所研制的红柱石醇基涂料的 各项工艺性能均已达到并超过国内外同类产品的 ２。 表２红柱石粉醇基涂料配比 ％ 水平。短期悬浮性（２ ｈ）达９９％，完全能够满足生 产现场涂料刷涂、流涂及喷涂等各种涂刷工艺的要 求。８Ｏ％以上的长期悬浮性（３０ ｄ）保证了涂料长 期存放后不产生板结现象，轻微搅拌既可使用，并 且经长途运输后不沉淀、分层，便于涂料的大面积 ２．２涂料的制备工艺 推广。涂料的剪切稀释比 值反映了涂料的表观粘 涂料的制备工艺对于获得优良的涂料工艺性 度随剪切速率提高的下降趋势， 值越大，表观粘 能以至优质的铸件表面至关重要。试验表明，悬浮 度下降越大，涂料越易涂挂，即其涂挂性越好。 剂是影响涂料各项工艺性能的最主要因素。悬浮剂 值的范围通常在２～ｌ０之间。本涂料的肘值为８，接近 能否在涂料中得到良好的分散在很大程度上决定 于１０，表明涂料具有优良的涂挂性。涂料只有具有 了涂料工艺性能的优劣。同时，悬浮剂也是涂料各 优良的触变性才能同时具有优良的涂挂性、流平性 组分中最难分散的组分。采用立式胶体磨预处理悬 ｌ ０ 及抗流淌性等工艺性能，即在刷子的搅动下，涂料 浮剂膏料。由于胶体磨转齿与定齿之间的间隙可以 ６ ¨ 培９ ６ ２ ３ ２ ｍ；４ ％ ￡！ ４ 很快变稀，粘度下降，涂挂性好；当搅动停止，粘 调整至６０ Ｉｘｍ以下，转速高达３０００ ｒ／ｍｉｎ，膏料受到 度上升，抗流淌性好；且粘度逐渐上升，又保证了 很强的抽吸、剪切、摩擦和高频震动作用，能得到 好的流平性。本涂料的触变率Ｎ＝５４％，远大于涂料 有效的搅拌、均质、分散和细化，再将这种均匀、 触变性应大于２０的要求川，表明涂料具有优良的涂 稀化后的膏加入到搅拌机中与耐火骨料等涂料其 挂性、流平性和抗流淌性。另外，该涂料的发气量 它组分一起搅拌，涂料很容易分散、均质。在胶磨 低，最大发气量为１２ ｍｌ／ｇ，比传统的醇基涂料发气 之前首先将复合悬浮剂锂基膨润土和硅酸镁铝粉 量小很多（一般醇基涂料发气量小于２０ ｍｌ／ｇ）。 料用水引发，使晶层先胀开，再加人乙醇，倒入胶 体磨中胶磨３～６次。 ４ 生产应用 涂料的制备工艺如下： 把红柱石醇基涂料分别在天津几个厂家的各 悬浮剂的预处理：复合悬浮剂＋少量水＋部分乙 类大中小铸钢件和合金钢件的水玻璃、酚醛树脂等 醇 胶体磨循环研磨３～６次 制得悬浮剂膏。 石英砂型上使用。材质为ＺＧ２３０．４５０、２７０—５００等。 涂料各组分的分散：悬浮剂膏＋乙醇一高速搅 生产的铸件有支撑座、梯板、蓖条、衬板、磨门衬 拌机搅拌１０ ｎ 加入酚醛树脂＋松香＋磷酸盐 板和辙叉等几十种，最大单件重量为４ ５００ ｋｇ，最 ＋ＰｖＢ 搅拌１Ｏ ｍｉｎ一加入红柱石＋助剂＋甲醇＋助 大壁厚２００ ｍｍ。涂料采用刷涂方法，中小件刷一遍， 燃剂．＋搅拌５０ ｍｉｎ￣Ｊｌ：ｌ入少量乙醇一搅拌１０ ｍｉｎ， 大件刷２～３遍。用这种涂料生产的各类铸钢、合金 调整密度＿÷出料。 钢件表面光洁、平整，轮廓尺寸清晰。落砂时，轻 ３涂料的性能 轻敲打铸件，烧结层能够呈片状脱落，涂层被烧结 成浅黑色，界面光滑，易于清理，如图ｌ所示。 所制备的红柱石醇基涂料的各项工艺性能如 第１期 武晓峰等：新型铸钢醇基涂料的研究 ５９ 对涂料成本进行了分析。结果表明，研制的红 可看出，未浇注的涂层由红柱石组成；在浇注 柱石醇基涂料成本比单一锆英粉醇基涂料降低 ５０％。 图１采用新型涂料生产的铸钢件 ５红柱石涂料的抗粘砂机理 上述试验及生产应用表明，红柱石醇基涂料生 产铸钢件具有优异的抗粘砂性能，这可以用耐火． 烧结防粘砂理论加以解释。耐火．烧结防粘砂理论【５】 指出，好的防粘砂涂料耐火骨料颗粒既要高的耐火 度，颗粒间又要有一定的烧结，以形成耐火的烧结 层，这样的烧结层易从铸件剥离、脱落，获得的铸 件表面光洁、平整，无需费力清理。前已提及，红 柱石粉本身具有很高的耐火度，在加热到ｌ ２００℃ 以上后，还会形成耐火度达ｌ ８００℃的莫来石相， 这满足了涂料高耐火度的要求。为了考察在实际铸 钢浇注温度下红柱石涂料是否形成莫来石，对涂刷 该种涂料浇注铸钢及灰铸铁件后形成的靠近铸件 一侧的涂料层表面进行了Ｘ衍射分析，结果如图２ 所示。 ■ ｍｕｌｌｉｔｅ ◆ ａｎｄａｌｕｓｉｔｅ ＿一ｑｕａｒｔｚ １００００ ｂ ０【 ｌＯ ２Ｏ ３Ｏ ４Ｏ ５Ｏ ６０ ７０ ２Ｏ／ｄｅｇ 图２涂料层的Ｘ衍射图谱 （ａ）未浇注的涂层：（ｂ）浇注灰铁件涂层；（ｃ）浇注铸钢件涂层 ｌ ３７０℃灰铁液后，涂料层中红柱石已转变为部分 莫来石相；在浇注铸钢更高的温度（１ ５５０℃）下， 生成了大量的莫来石相，同时还生成少量石英相。 这种石英相从红柱石颗粒表面析出，为粘稠状玻璃 态物质，充填在涂层莫来石或红柱石相颗粒之间， 使这些颗粒受到不同程度的熔融和烧结，封闭了金 属液渗透的通道，形成阻渗致密层，从而有效地防 止了钢液对涂层的渗透，同时也阻止了型芯气体向 铸件的侵入。红柱石醇基涂料更详细的抗粘砂机理 需要今后进一步加以研究。 ６结 论 （１）通过对涂料各组分的选择与优化使研制 的红柱石醇基涂料获得了优良的悬浮性、涂挂性、 流平性及抗流淌性等工艺性能。 （２）红柱石涂料适用于砂型铸造生产铸钢、 合金钢等各类型铸件，涂层耐火度高，并能适度烧 结成致密的隔离层，落砂后易剥离、脱落，好清砂， 可获得表面光洁的铸件。 （３）红柱石醇基涂料成本低，与醇基锆英粉 涂料相比成本可降低５０％。 参考文献： ［１】肖柯则．铸型涂料［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９８５． ［２张惠敏，汪立今，贾殿赠．红柱石材料领域的应用及其 ２］研究新进展［Ｊ］，大学学报：自然科学版，２００６，２３（１） ５３—５７． ［３李柳生，平增福．红柱石的莫来石化［３］Ｊ］．硅酸盐通报， ２００６，２３（１）：３４—３６． ［４］林彬荫．蓝晶石红柱石硅线石［Ｍ】．北京：冶金工业出版 社．１９９８． ［５］严名山，朱纯熙，邹忠桂．关于铸造涂料易剥离粘砂层 理论的探讨［Ｊ】．铸造，１９８７，ｌ２（９）：２２—２５． 责任编校：刘亚兵
